细菌大迁徙：达尔文那一套又不管用了

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　　细菌大迁徙：达尔文那一套又不管用了
　　——21世纪“造物”技术有了理论工具

　　很多人把达尔文的“物竞天择，适者生存”奉为圭臬，但也有人并不相信生物进化论以及后来的社会达尔文主义那一套。至少，它并不能完全解释这个世界的运行。

　　比如，一个受精卵分裂出的40万亿细胞，是如何有序形成各个组织器官，并最终发育为完整人体的？同一片森林里的上百种生物，是如何抢占生存空间，以构成复杂而稳定的生态系统的？尽管进化论指出了生命的演化规律和发展方向，但多细胞生物“按需制造”的原理，至今仍然是一个谜题，而同一环境下的物种多样性，也难以被一句“物竞天择”解释清楚。

　　如今，科学家又找到一个反例：微观世界里的细菌大迁徙。中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立所领导的科研团队，与美国加州大学圣地亚哥分校教授华泰立的团队合作，历时5年发现，在细菌的迁徙过程中，并非“快”胜出“慢”淘汰，而是每种生物都对应着一个最优的扩张速度和策略，据此算出生物迁徙进化策略的定量公式，以其解释生物多样性并为未来的“造物”提供工具。  

　　前不久，这一被认为“基础研究领域重大突破”的成果，以长文形式在国际学术期刊《自然》杂志发表。中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室研究员赵国屏评价道：这一原创新工作所揭示的规律，对于物种进化，特别是物种内部微进化理论的发展，具有不可取代的重要意义，也是实验性进化研究的一次生动范例。

　　“抢地盘”不光靠“跑得快”

　　非洲动物大迁徙是自然界的一大奇观，每年数以百万的动物分为前中后“三军”向北进发：打头阵的，是20多万匹野斑马，紧跟其后的，是百万头角马，殿后的，是50万只瞪羚。在此期间，还有40万个新生命加入队伍。

　　将这样的大场面“搬进”实验室，把动物替换成细菌，放进培养皿，便成了刘陈立团队研究的对象——细菌大迁徙。

　　刘陈立告诉记者，根据传统的研究结果，为了应对环境的变化，生物通过迁徙获得营养或新的生存环境，在迁徙过程中走在最前面的生物，具有优先选择权，可以选择可口的食物，也可优先占领某一片领土，似乎“越快越好”就是最优的生存策略。

　　相应地，在细菌迁徙的竞争中，想要占领最大疆域，也是扩张速度“越快越好”，不同细菌“单独奔跑”的情况下确实如此。

　　然而，不同细菌“同时奔跑”的时候，出人意料的事发生了。

　　在探究细菌迁徙的前期实验中，刘陈立团队设计了4种培养环境，在每种环境中反复“演绎”细菌迁徙过程，各重复50个循环后，科研人员惊奇地发现：菌群的迁移速率呈发散状变化，占领外围的菌群越“跑”越快，而占领中心的菌群，则不断放慢“脚步”。

　　结果显示，不仅“快菌”有优势，“慢菌”也找到了自己的生存空间。

　　“这一现象出乎我们的意料，在均一环境下，一般认为‘先到先得’，速度变慢则意味着被淘汰，此前领域内的研究也都未注意到‘运动速度慢’竟然也有其优势。”刘陈立认为，这些现象说明，细菌在空间扩张过程中，不只是采用了“加快运动速度”这一种策略，还有其他因素决定着“最终版图”的分布。

　　中国科学院院士、北京大学定量生物学中心教授欧阳颀听闻这一实验结果十分欣喜，在他看来，这个工作在针对微观生态进化的“时域”与“空域”定量与系统研究方面跨了一大步。

　　“在缺乏定量可控的实验情况下，达尔文的进化论无法发展出能够做出定量预测的理论，因而是不完整的。尤其是复杂时空变化的环境下，多物种的竞争与适应策略，更是进化理论研究的难点。”欧阳颀说。

　　如今的这一成果，很明显有了突破。

　　欧阳颀说，这一成果利用细菌的迁移和繁殖等基本生命参量，研究了不同细菌种群在不同领地上的定居、生长、繁殖后代能力，以及适应力的演化规律，“与通常认为的‘先到先得’策略不同，特定领地上定植能力最强的细菌不是跑得最快的，而是不同的领地对应着一个最优的扩张速率。”

　　菌群大战“暴露”迁徙规律

　　更为重要的是，刘陈立团队并没有停留在现象的表面，而是继续往下走，走向理论解释。

　　在他们看到“先到不先得”这一违反直觉和常理的实验结果后，科研团队利用非线性动力学模型，推导了一个简单的定量关系：通过经典的“两两竞争”实验和数学模型分析，发现一个种群所占空间大小和区域位置，与其竞争者的迁移速率有着明确的定量关系。